한국과학기술연구원(KIST·원장 오상록)은 이창혁 뇌과학연구소 책임연구원팀이 전기, 빛 신호를 하나의 반도체 칩에서 동시에 읽어내는 차세대 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 칩을 세계 최초로 개발했다고 5일 밝혔다.
파킨슨병·치매·뇌전증 같은 뇌질환을 정밀 진단·치료하려면 신경세포가 활동한 시점과 세포 종류를 함께 알아야 한다. 전기 신호는 활동 시점을, 빛 신호는 세포 종류를 보여주지만 지금까지 두 신호
를 하나의 칩에서 동시에 읽어내기 어려웠다.
연구팀은 머리카락 굵기의 실리콘 침 13개에 전극 416개와 빛 감지 화소 832개를 배치해, '언제, 어떤 세포가' 반응했는지를 동시에 파악할 수 있게 했다. 이 반도체는 뇌에 최소 침습으로 이식돼 세포 크기 센서가 뇌 안에 3차원 배치되고 신경세포 내부의 정보처리 과정까지 광신호로 읽어낸다.
제작 방식도 간소화했다. 연구팀은 스마트폰 등에 쓰이는 범용 CMOS 공정과 3D프린팅 기반 후공정 기술을 결합해, 칩 성능은 유지하면서 제작비를 기존의 100분의 1 수준으로 낮췄다. 또 국내 반도체 파운드리·팹리스 인프라와 연계해 BCI 칩을 제작·고도화할 수 있는 산업화 가능성을 열었다.
살아있는 쥐의 세 뇌 부위에 칩을 이식한 결과, 마취 깊이에 따른 뇌파 변화와 시각 자극에 따른 신경세포 반응을 동시에 포착했다. 이식 1주일 뒤에도 염증 반응과 운동 기능 모두 정상으로 나타났다.
이번 기술은 신경세포의 종류·위치·시점을 동시에 해독할 수 있어, 파킨슨병·치매·우울증 등 뇌질환의 정밀 진단과 치료에 활용될 수 있다.
이창혁 KIST 책임연구원은 “뇌질환 치료와 정밀 BCI로 나아가려면 어떤 종류의 세포가 활동하는지를 구분할 수 있어야 한다”며 “이번 연구는 광반도체 BCI라는 새로운 갈래를 제시하고, 세계적 수준의 한국 반도체 산업의 강점을 BCI 산업에 연결할 수 있는 토대를 마련했다”고 밝혔다.
본 연구 성과는 'Advanced Science' 최신 호에 게재됐으며, 표지논문(Front Cover Article)으로 선정됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
